具有毛细结构和超级抽湿浸润性能的陶瓷膜及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种陶瓷膜的制备方法及其应用，尤其涉及一种具有毛细结构及超级 浸润抽吸性能的陶瓷膜的制备及其应用。
【背景技术】
[0002] 表面浸润性是固体表面的一个重要特征，通常以接触角来表征液体对固体的浸润 程度。一般来说，固体表面与水的接触角大于90°时，称之为疏水表面;小于90°时，称之为亲 水表面。近年来，也有人提出以65°接触角作为亲水和疏水的界限。
[0003] 由于对液体良好的浸润性，亲水表面可广泛应用于工业与生活中。比如水蒸气凝 结在亲水表面上时，容易展开为均匀连续的水膜，抑制孤立水滴的形成，能增强表面的抗雾 性和透明性，这在需要防止结霜和保持透明（如冰箱内壁、汽车的挡风玻璃等）的应用中很 重要。另外，空调的冷凝器散冷翅片在工作时，空气中的水蒸气会遇冷凝结在翅片间，形成 水珠。这不仅降低了翅片和空气的热交换面积，而且也增大了风阻，严重影响空调的制冷效 率。而在散冷翅片上涂布亲水材料，可防止凝结时水珠的形成，减小风阻，维持较大的换热 面积，从而提尚空调的能效。
[0004] 溶胶-凝胶法是制备无机亲水涂层主要方法之一，反应可在较低的温度下进行，过 程易调控，但该方法一般需要紫外光照射等方式才能获得亲水性。电化学方法(如电化学沉 积、阳极氧化等)也可用于制备无机亲水涂层，但需要特殊的仪器设备，难以实现大面积表 面的制备。有机亲水涂层多采用涂布的方法来获得，容易实现大规模生产，但涂层的亲水性 能不够稳定，使用一定时间后会消失。
[0005] 上述亲水表面的亲水性能都是用接触角来表征的，最常报道的接触角大多为0 _ 30°之间。在目前论文及专利中，尚未见到一种亲水表面具有毛细结构，能够对水(或其它液 体)产生超级浸润和抽吸作用。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于解决上述问题，提出一种具有毛细结构的陶瓷膜及其制备方法 与应用。
[0007] 本发明的目的通过以下技术方案来实现： 具有毛细结构和超级抽湿浸润性能的陶瓷膜，所述陶瓷膜厚度为l〇nm~600μπι，所述陶 瓷膜包括一铝化合物基底、附着于所述基底上的基膜层，所述基膜层为氧化铝陶瓷层，所述 陶瓷膜为具有平均毛细管半径为0.1-1.2mm的多孔膜，所述陶瓷膜亲水表面能使单位质量 的水滴完全铺开，形成面积不小于300 cm2/g的水膜;且亲水表面能使水分子克服自身重 力，在垂直方向自行爬升的高度不小于3.0 cm。
[0008] 优选地，所述的具有毛细结构的陶瓷膜的制备方法，包括如下步骤， S1、基底预处理 S11、基底脱脂:将基材放入5%~20%的硫酸槽中，脱脂，3min~5min后取出；所述 基材为错基材或错合金基材； 512、 第一次水洗:用自来水反复冲洗铝基材，保证铝基材表面的PH值> 5 ; 513、 碱洗:将第一次水洗后的基材放入浓度为45kg/m3~55kg/m3,温度为40°C~60 °C的氢氧化钠溶液中，碱洗4min~8min; 514、 第二次水洗:用自来水反复冲洗铝基材，冲洗2min~4min后取出； 515、 第三次水洗:用自来水反复冲洗铝基材，冲洗2min~4min，待PH值>5后取出； 516、 阳极氧化:用碱性电解液、和酸性电解液以先后顺序清洗氧化，促进金属铝基材表 面生成具有孔隙高，吸附能力强的氧化铝膜，所述氧化铝膜厚度为0.3~30μπι; 517、 第四次水洗:将经过阳极氧化的氧化铝膜用自来水反复冲洗，冲洗2min~4min 后取出，再用去离子水冲洗lmin~2min ; 518、 干燥:取出经化学氧化后的铝基材，经去离子水反复冲洗后干燥； S2、氧化铝陶瓷层涂覆步骤； 521、 原料粉末准备;将α-氧化铝、有机成孔剂、烧结助剂和其他批料组分按比例进行称 量配比：所述氧化铝质量百分比为60%- 70%，粒径为5_30μπι，所述有机成孔剂质量百分 比为30%- 40%，粒径为3- 35μπι;所述烧结助剂质量百分比为10%- 30%; 522、 原料混合:先将α-氧化铝、有机成孔剂混合均匀后，再与烧结助剂和其他批料组分 混合:α-氧化铝和有机成孔剂为70-90 %、所述烧结助剂和其他批料组分为10-30 %混合； 523、 混磨搅拌:在混合粉末中加入20-30粒直径为5-12mm的氧化铝陶瓷球或钢球，在 混料机上混磨l_3h; 524、 成型：将混合原料装入模具内进行低温预热成型，所述预热成型温度为180-250 °C； 525、 中温烧结及成孔;将成型后的产品转入中温烧结炉内，加热至600 °C，所述中温炉 的加热时间为2-3 h，保温1-2 h，然后随炉冷却至100°C以下，最后从炉子中取出最后制得 的多孔陶瓷。
[0009] 优选地，所述的具有毛细结构和超级抽湿浸润性能的陶瓷膜的制备方法，所述S16 的阳极氧化步骤中，所述电解液包括酸性电解液与碱性电解液，所述酸性电解液配比为：甲 酸质量百分比20~40%;草酸质量百分比30~50%;丙二酸质量百分比30~50%;硫酸镍 质量百分比〇~10%，处理参数为:氧化电压为20~80V，电流密度为2.0~3.5A/dm2,处 理时间为0.5~3h，处理温度为10~25°C; 所述碱性电解液配比为:碳酸钠质量百分比40~60%;铬酸钠质量百分比15~25%; 氢氧化钠质量百分比2~5%;磷酸三钠质量百分比0~1.5%，处理参数为:氧化电压为5 ~35V，电流密度为1.0~2.5A/dm2,处理时间为5~60min，处理温度为85~100°C。
[0010] 优选地，所述S24低温成型中采用空气循环炉或平板炉，所述空气循环炉预热成型 温度为180_250°C，低温成型时间为8-12min;所述平板炉预热成型温度为180-250 °C，低温 成型时间为3-5 min。
[0011 ] 优选地，所述S12中的第一次水洗冲洗时间为2min~4min。
[0012] 优选地，所述S21中其他批料为分散溶剂。
[0013] 优选地，所述混料机为V型结构的混料机，所述混料速度为100-150 r/min。
[0014] 本发明制备的陶瓷膜具有超级浸润，所述超级浸润是指亲水表面能使单位质量的 水滴完全铺开，形成面积不小于300 cm2/g的水膜;且所述陶瓷膜具有抽吸作用，所述抽吸 作用是指亲水表面能使水分子克服自身重力，在垂直方向自行爬升的高度不小于3.0 cm。
[0015] 本发明所述的陶瓷膜导热系数用德国耐驰TCT426测得。取长宽各30cm的陶瓷膜并 将热线与热电偶插入两片试样间，接通2.0A加热电流开始测试。得到升温对时间的函数，由 此得出陶瓷膜的导热系数为1.0 - 30 W/m.K，与铝(或铝合金基底)的整体导热系数率可高 达200 W/m.K。陶瓷膜工作温度高达600 °C，在干燥条件下的击穿电压高达DC 5000 V。该陶 瓷膜具有毛细结构，其平均毛细管半径为0.1 - 1.2 mm，对液体能产生很强的毛细管作用 力，尤其是对水能产生超级浸润抽吸作用。
[0016] 本发明所述的超级浸润作用，是指在常温常压下，当一滴水(体积约为0.03 cm3; 质量约为0.03 g)滴落到本发明涉及的陶瓷膜上时（陶瓷膜为水平放置），水滴不能稳定存 在，而是自发地向四周扩散铺展开，完全浸润陶瓷膜表面，于数分钟内在陶瓷膜上形成连续 均匀的水膜，水膜与陶瓷膜表面的接触面积可高达40 cm2,也就是说，水膜与大气的接触面 积可高达40 cm2。概括而言，单位质量的水滴在陶瓷膜上铺开形成水膜后，水膜的厚度最薄 可达7.5 μπι/g，其与大气的接触面积在300 - 1333 cm2/g之间。陶瓷膜对其它液体也有类 似超级浸润作用。
[0017] 本发明所述的陶瓷膜超级抽吸作用，是指在常温常压下，当把陶瓷膜垂直浸入水 中时，由于陶瓷膜毛细管的抽吸作用，水能够克服自身的重力，沿着陶瓷膜向上爬升，爬升 高度一般高于液面3.0 - 12.0 cm。陶瓷膜对其它液体也有类似超级抽吸作用。
[0018] 本发明的有益效果主要体现在:本发明利用电化学氧化和浆料涂覆相结合的方法 在铝(或铝合金)表面制备了具有毛细结构的陶瓷膜，该陶瓷膜导热性能好，热稳定性高，尤 其是对水（等液体)具有超级浸润和抽吸作用。这些作用拓展了现有亲水材料的特性和功 能，并为亲水材料开辟了新的应用领域，如制冷降温、海水淡化、以及电子元器件的导热散 热等。
【附图说明】
[0019] 下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明： 图1:基于陶瓷膜的制冷器结构图，此时隐藏掉了制冷器的翅片。
【具体实施方式】
[0020] 在本发明中，除了可以在箱、片、板等形状的铝（或铝合金)平面基底上制备陶瓷 膜，也可在铝(或铝合金)丝线等非平面结构上制备得到陶瓷膜，陶瓷膜应用于各种场合。对 于基底的形状并无特殊限制。
[0021] 由于陶瓷膜的超级浸润功能，水滴在陶瓷膜上形成水的膜与空气的接触面积高达 300 - 1333 cm2/g，即水膜与陶瓷膜和空气的热交换面积大，因此水膜很容易从环境吸热 蒸发，由液体变为气体。同时由于水膜的厚度非常薄(最薄可达7.5 μπι/g)，在厚度方向的温 度梯度小，这有利于水膜的快速吸热和快速蒸发。再者，陶瓷膜有良好的导热性能，水吸热 蒸发后，陶瓷膜及铝(或铝合金)基底的温度迅速降低，因此陶瓷膜可首先应用于制冷降温。 陶瓷膜用于制冷降温的优点是节约能源，效率高以及简单方便。 陶瓷膜对水的超级浸润性能测试 制备宽度约为10.0 cm的以铝箱为基底的陶瓷膜，当用滴管往陶瓷膜上滴一滴水时(质 量约为0.03 g，体积约为0.03 cm3)，水滴不能稳定存在，而是在Is内铺开形成直径约为2.0 cm的水膜。此水膜继续扩散，过了32 s后，直径增大到了5.2 cm。当上述水膜继续扩散，在60 s后，直径增大到了6.3 cm。此时液膜与陶瓷膜的接触面积约为30.2 cm2,所对应的单位质 量接触面积为996.6 cm2/g，单位质量水膜厚度为10.0 μπι/g。
[0022]陶瓷膜毛细管半径计算 将一片长为20 cm、宽为5 cm陶瓷膜垂直浸入水中2 cm，长度方向保持与水面垂直，有 18 cm的陶瓷膜高于水面，由此观察水沿着陶瓷膜表面的倒吸现象。60 min后，发现水在垂 直方向的倒吸高度为h=12 cm。根据公式~^计算陶瓷膜内毛细管的平均半径r，所述 公式中a=72.8 mN/m